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关于爆破震动安全判据的几个问题

2019-05-09 17:25:20 责任编辑:崔玮娜

汪旭光l 于亚伦2

( l.北京矿冶研究总院.北京 100044; 2.北京科技大学.北京 100083)

 

摘要    阐述了同时采用质点振速和频率两个指标作为爆玻震动安全判据的必要性、可行性,并介绍了爆破振动频率的计算公式。

关键词    爆玻震动;振动速度;振动频率;安全判据

炸药爆炸释放出来的能量以两种形式表现出来,一种是冲击波,另一种是爆炸气体。随着传播距离的增大,冲击波衰减为应力波和地震波。地震波引起的(近地表)地面振动称为地震动。我国《爆破安全规程》(GB6722-86)规定:一般建筑物和构筑物的爆破地震安全性应满足安全振动速度的要求,即现行规程是用质点振动速度表示地震动强度的。 实践表明,这种规定基本上满足了工程爆破的要求,使爆破安全距离的确定有法有依。 但是,随着爆破技术的深入研究,人们也发现,以单一的质点振动速度作为衡量爆破地震动强度的唯一指标也有许多不妥之处,希望用质点峰值振动速度和对应频率(简称振速和频率)作为振动强度的指标。美国、德国等一些发达国家已经考虑了振动速度对应频率的综合影响,将这两个指标纳入爆破震动安全判据中。

 

1用振速-频率作为震动强度指标的必要性

1.1理论上的必要性

地震动是由不同频率、不同幅值的波动在一个有限时间范围内组合的随机过程。地震动的峰值(最大振幅)、频率和持续时间被称为地震动的三要素,而最大振幅又与速度、加速度密切相关,若已知位移、速度和加速度三个参数中的任一个,经过积分或微分便可求出另两个。故地震动的速度、频率和持续时间也是表征地震动强度的三个必不可少的参量,特别是前两项(振速和频率)更是缺一不可。

1.2工程实践上的必要性

结构对爆破震动的反应与频率特性的关系也十分密切。

(1)众所周知,当建筑物地基输人的地震动的主要周期接近建筑物的自振周期时,由于共振作用,将产生更大的振动,容易引起建筑物的破坏。我们在爆破工程中时有发现,炸药爆炸时,在其他相同条件下,距爆源近的建筑物未受破坏,而距爆源远的却遭受了破坏,这是因为建、构筑物种类繁多,结构各异,爆破类型很多,起爆方式不一,爆破条件和爆破地震波通过的介质情况复杂。在地面质点振动速度值相同的情况下,建 (构)筑物将会出现不同的振动频率和振动持续时间。即使相同的建、构筑物在振速相同的条件下,不同的振动频率和振动持续时间,对建、构筑物的结构动力影响也是不一 样的。

 (2)在自然地震中,烈度为7~9度时,地震加速度平均值为0. 075~0. 3g.大部分房屋建筑物遭受破坏。但在如此大的爆破地震动作用下.对一般房屋的影响却很小,这是因为一般房屋的自振周期多在0. 2~1. Os (频率1~5Hz)范围内,而自然地震的加速度的频率多在2~5Hz之间.很少超过10Hz,二者频率范围比较接近,但爆破地震动的加速度的频率大都在10~30Hz,甚至高达50Hz,远远大于一般房屋的自振频率,故不易被破坏。这从另一侧面也说明了振动频率的重要性。

1. 3 从国外发展趋势看的必要性

采用速度-频率作为地震动强度指标也是众望所归。目前.国外表示质点振动强度的指标有位移、速度、加速度和频率。各国的规定有所不同。例如,美国早期曾采用加速度作为地震动强度的指标,而英国、葡萄牙、加拿大、瑞典、俄罗斯等国则采用质点振动速度作为地震动强度的指标。但是,由于在爆破震动作用下使建(构)筑物破坏的主要因素是振速和频率,仅考虑单一因素是不合理的。因此,一些主要西方国家在制定爆破振动安全标准时,普遍考虑了振速和频率的共同影响。举例说明如下。

(1)美国的爆破震动安全判据。根据对建筑物的保护程度不同,不同行业部门制定了不同的安全判据。美国矿业局(USBM)和露天矿复垦管理局(OSMRE)分别制定 了各自的标准,将此两个标准合成以后,成为日前国际上比较流行的爆破震动安全判据 (图1 )。

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(2)德国爆破震动安全判据(BRD-DIN4150)。将建筑物分为:①工业和商业建筑;②民用建筑;③重点保护建筑三种类型,综合考虑了爆破引起的最大质点振速和振动频率的影响,充分反映了不同频率的爆破震动对建筑物的影响,如图2和表l所示。

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1.4 从与国际接轨角度看的必要性

我国加入WTO已成定局。在我国成为WTO成员国以后,国外一些大的工程公司 (包括爆破公司)将进入我国市场,我国爆破工作者也将有更多的机会走向国际市场。 无疑,在国际爆破工程竞标中使用国际流行的先进爆破震动安全判据指标将有利于中标,从这一角度看,亦需要将振功频率引入我国爆破震动安全判据中。

2 采用速度-频率作为震动强度指标的可能性

应该说,目前我国具备了以速度-频率作为震动强度指标的基本条件,有可能将二者纳入爆破震动安全判据中,主要依据是:

(1)国外有众多国家的经验可以借鉴,特别是美国、德国的标准已执行了多年。

(2)国内已有不少单位利用国际上先进仪器进行了大量的观测,积累了相当丰富的资料,例如:美国NCSC5OOO型电脑控制数字输出测震仪(NOMIS COMPUTER SYSTEM CORPORATION 5000 Portable Microprocessor Based Digitizing Seismograph)主体由固化的电子计算机、热敏打印机和可充电蓄电池组成;辅体由三维传感器和噪声测试麦克风组成。可以测出质点三维振动速度及其矢量和、振动加速度、质点振动位移、振动频率和噪声强度、噪声频率,同时画出质点振动速度与频率之间的关系图和地震波形图,还能绘出美国USBM和OSMRE安全判据图或DIN4150爆破振动安全标准。测试结果在爆破后1min由热敏打印机打印输出。NCSC5000型测震仪使用方便、抗干扰能力强、数据准确程度高,是目前国内外进行爆破地震测试的最先进设备。

国内已采用上述先进仪器分别对硐室爆破、台阶爆破、拆除爆破等进行了相当数量的观测,得到了一批有价值的资料。

(3)近几年来,在公安部三局和中国工程爆破协会的主持和组织下,对全国工程爆破技术人员进行了系统的培训、考核,整个行业的技术人员素质有了显著的提高,具备了执行国际先进的爆破震动安全标准的水平。

3 采用速度-频率作为震动强度指标的具体建议

(1)吸收国外有关标准的有益数据与经验,并根据我国爆破技术人员已经掌握的实测数据资料制定出我国新《爆破安全规程》的有关规定,即岩石爆破对地面建筑物和隧道的爆破震动安全判据可采用地面质点振速和主振频率两个指标。以主振频率的不同频段确定相应的振速,其基本形式类似于图3所示。图中地面建筑物和隧道类别可以根据已有资料适当增加。

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(2)建立常见建(构)筑物自振周期表。为防止爆破振动频率与建(构)筑物自振频率相近而引起的共振现象,必须了解建(构)筑物的自振频率或自振周期。表2列出了常见建(构)筑 物的自振周期[1]。

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(3)爆破振动频率的计算。目前国内有两种计算公式计算爆破振动频率。

文献[2]提出用下式计算爆破地震动引起的地面质点振动频率:

f=( kfC7/5s./ Q1/3 ) • ( Q1/3 / R)2/5        (1)

式中, kf为频率系数,kf=0.01~0.03; Cs为岩石的横波波速,cm/s;Q为相同距离同时起爆的总药量, kg; R为测点至爆源距离, m。

文献〔3]提出的振动频率计算公式如下:

f=k(Q1/3 /logR)1/2    (2)

式中,k为系数,对于硐室爆破,k=0. 8~5. 0;对于台阶爆破,k=5.0~50;对于拆除爆破,k=1.0~10;药量大时系数取小值,反之取大值。上述两个公式都是在一定试验条件下获得的经验公式,为计算爆破振动频率做了有益的探索。可以试用,但将它列入新《爆破安全规程》中,条件尚不成熟。

4 结束语

笔者在分析了我国采用振速-频率作为震动强度指标的必要性与可能性之后,提出了在制定我国新的统一的《爆破安全规程》时,应考虑振速与频率综合影响的建议,即将振动速度和主振频率两个指标作为爆破震动安全判据。同时指出,在目前尚无一个理想的、被普遍接受的振动频率计算公式的条件下,根据我国已有的实测数据制定出不同地面建筑物和隧道的保护对象所在地的质点峰值振动速度和对应的频率,以经验数据代替计算公式,这是目前唯一可行的方法。

参考文献

[l]黄吉顺, 蒋志光.爆破振动工程特性及其安全技术措施. 工程爆破文集(第六辑).深圳:海天出版社,1997.

[2]焦永斌.爆破地震安全评定标准初探.爆破, 1995,(3): 45~47.

[3]唐春海等.爆破地震动安全判据的初步探讨.有色金属(季刊), 2001,53 (1):l~3.

 

摘自《汪旭光院士论文选集》